全封閉空氣能CO2熱泵干燥系統(tǒng)的研制

程同　李娟玲　楊道龍

摘要：為了達到高干燥溫度、節(jié)能環(huán)保的目的，以CO2為工質(zhì)開發(fā)了1臺小型帶回?zé)崞鞯腃O2熱泵干燥樣機。該樣機設(shè)計為全封閉式結(jié)構(gòu)，含有雙蒸發(fā)器，通過控制系統(tǒng)控制內(nèi)外蒸發(fā)器的開閉從而達到除濕、節(jié)能的目的。以胡蘿卜為干燥對象，在該樣機上研究CO2工質(zhì)的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響、內(nèi)外蒸發(fā)器對系統(tǒng)節(jié)能的影響。干燥試驗結(jié)果表明，該干燥裝置方便可控、性能穩(wěn)定，干燥介質(zhì)溫度可穩(wěn)定在75 ℃，COPh（系統(tǒng)能效比）為3.5，SMER（單位能耗除濕量）達到1.03 kg/（kW·h），實際干燥介質(zhì)最佳投放量為12 kg，為CO2熱泵干燥裝置市場化提供了研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空氣能；CO2熱泵；干燥；數(shù)據(jù)采集；控制

中圖分類號： S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0403-04

干燥作為農(nóng)產(chǎn)品加工中的重要過程，其能耗約占國家工業(yè)能耗的7%～15%[1]。熱泵干燥以其節(jié)能優(yōu)勢于20世紀70年代迅速被推廣到各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)熱泵干燥裝置中的制冷工質(zhì)多為氯氟烴及其混合物，破壞臭氧層且產(chǎn)生溫室效應(yīng)。近年來制冷劑對臭氧層的破壞和全球溫室效應(yīng)等環(huán)保問題日益突出，氟氯烴工質(zhì)的替代問題引起全世界共同關(guān)注。根據(jù)《蒙特利爾議定書》第19次締約方大會最新規(guī)定，中國須完成2030年氯氟烴的全面淘汰的任務(wù)[2]。天然工質(zhì)CO2以其無毒、環(huán)保、不可燃、具有再生性以及良好的經(jīng)濟性等特點，成為國際上替代氟利昂工質(zhì)的理想制冷劑[3]。

目前國際上已經(jīng)開展了對CO2跨臨界熱泵干燥研究，德國Essen大學(xué)的Schmidt等分析和討論了CO2在熱泵干燥方面應(yīng)用的可行性[4-5]：CO2的物性特征使其利于流動和傳熱，高的容積制冷量使干燥系統(tǒng)部件的尺寸減小，CO2跨臨界循環(huán)特性使得系統(tǒng)運行時氣體冷卻器的放熱過程為變溫過程，可以實現(xiàn)與干燥介質(zhì)之間的良好溫度匹配，正好滿足熱泵干燥中梯級放熱的要求，使得系統(tǒng)有效能損失減小，能源利用率提高；CO2跨臨界熱泵干燥能夠達到較高的干燥溫度和除濕率；CO2自身優(yōu)良的環(huán)境性能和熱力學(xué)特性，使其在熱泵干燥系統(tǒng)中用CO2作為制冷工質(zhì)具有可行性。

國內(nèi)的西安交通大學(xué)和天津大學(xué)熱能研究所對CO2熱泵干燥進行了相關(guān)的理論研究，將其與電加熱干燥機及傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵干燥機相對比得出：電加熱干燥機干燥介質(zhì)溫度高，但其單位能耗除濕量約為0.72 kg/（kW·h）；傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵干燥機將其單位能耗除濕量提高至1.54～2.05 kg/（kW·h），但干燥介質(zhì)溫度只能維持在50 ℃左右[6-10]；本研究開發(fā)的全封閉空氣能CO2熱泵干燥裝置可以兼顧干燥空氣溫度和單位能耗除濕量。全封閉循環(huán)結(jié)構(gòu)不需要進氣預(yù)處理，對環(huán)境的依賴性?。幌到y(tǒng)中加入新型高效的回?zé)崞?，相對常?guī)循環(huán)提高了系統(tǒng)能效比[11]；設(shè)計雙蒸發(fā)器熱泵干燥裝置，內(nèi)部蒸發(fā)器開啟時，制冷工質(zhì)吸收干燥介質(zhì)的余熱對其除濕；外部蒸發(fā)器開啟時，制冷工質(zhì)吸收外部空氣能，節(jié)約能源。雙蒸發(fā)器設(shè)計既保證了干燥介質(zhì)濕度在設(shè)定的范圍內(nèi)，又可以吸收空氣能達到節(jié)能效果。

1 CO2熱泵干燥裝置

CO2熱泵干燥裝置主要由熱泵系統(tǒng)、干燥介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)組成。其中熱泵系統(tǒng)包括壓縮機、換熱器、節(jié)流裝置和輔助裝置；干燥介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)包括干燥室和風(fēng)機。控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊。全封閉空氣能CO2熱泵的工作原理見圖1，其中CO2循環(huán)為單線流程，干燥介質(zhì)循環(huán)過程為雙線流程。

當(dāng)干燥室中濕度較高，未達到設(shè)定值時，熱泵系統(tǒng)內(nèi)的CO2氣體首先經(jīng)過壓縮機壓縮成為高溫高壓的超臨界氣體，在氣體冷卻器中向干燥介質(zhì)放熱成為低溫高壓的氣體，進入回?zé)崞鞲邏簜?cè)進一步降溫，再經(jīng)過手動調(diào)節(jié)閥膨脹成低溫低壓的氣液混合物，經(jīng)過內(nèi)部蒸發(fā)器中吸收熱量蒸發(fā)，在回?zé)崞鞯蛪簜?cè)過熱后再次被吸入壓縮機完成制冷循環(huán)[12]。干冷空氣由氣體冷卻器加熱到設(shè)定的溫度后，進入干燥室吸取物料中的濕分；高溫濕空氣進入內(nèi)部蒸發(fā)器降溫到露點溫度以下，凝結(jié)出水蒸氣并排出到干燥系統(tǒng)外；除濕后的空氣再次成為干冷空氣進入氣體冷卻器完成整個干燥介質(zhì)循環(huán)。

當(dāng)干燥室中濕度達到設(shè)定值時，經(jīng)過膨脹閥的氣液混合物在外部蒸發(fā)器中吸收空氣能蒸發(fā)再進入回?zé)崞鬟^熱[12]，干燥室吸濕后的空氣經(jīng)過內(nèi)部蒸發(fā)器再次進入氣體冷卻器完成整個干燥介質(zhì)循環(huán)。

2 主要系統(tǒng)

2.1 熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)主要部件包括壓縮機、換熱器、節(jié)流裝置。干燥系統(tǒng)主要組成部件為干燥器和主風(fēng)機。

2.1.1 壓縮機 壓縮機是熱泵系統(tǒng)的心臟?？紤]到技術(shù)成熟、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，并通過計算和分析對比，本系統(tǒng)采用意大利DORIN生產(chǎn)的CD-H系列，配套動力為1.8 HP的全封閉活塞式壓縮機。

2.1.2 換熱器 熱泵系統(tǒng)換熱器的設(shè)計包括氣體冷卻器、蒸發(fā)器和回?zé)崞?。氣體冷卻器是熱泵干燥裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，考慮到系統(tǒng)承壓、技術(shù)成熟、經(jīng)濟性等因素，氣體冷卻器和蒸發(fā)器都選用不銹鋼管翅式換熱器，結(jié)構(gòu)為正三角形叉排，逆流布置。設(shè)計氣體冷卻器將干燥介質(zhì)由30 ℃加熱到60 ℃，尺寸為50 cm×8.66 cm×43 cm，換熱量為5.27 kW；設(shè)計蒸發(fā)器尺寸為45 cm×8.66 cm×30 cm，換熱量4.02 kW。委托國內(nèi)制冷企業(yè)加工制造，既保證了裝置的性能，又顯著地降低了造價?；?zé)崞鬟x用自行設(shè)計套管式，外管為光管，外徑為10 mm，內(nèi)徑為9 mm?；?zé)崞鲀?nèi)管的內(nèi)表面為光滑面，外表面為微肋面，平均外徑為0.6 cm，內(nèi)徑為0.5 cm。來自氣體冷卻器的高壓CO2在內(nèi)管內(nèi)流動，而來自蒸發(fā)器的低壓CO2在環(huán)狀空間內(nèi)流動。回?zé)崞鏖L度為0.92 m，換熱量為0.5 kW。

2.1.3 節(jié)流裝置 節(jié)流裝置是熱泵系統(tǒng)中基本部件之一，目前在CO2系統(tǒng)中常用的節(jié)流裝置為毛細管、針閥、電子膨脹閥。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)方便、經(jīng)濟性好的目的，本設(shè)計選用hip超高壓不銹鋼針型閥，其接頭內(nèi)徑為0.752 cm，節(jié)流口尺寸為0.317 5 cm。

2.1.4 干燥器 本干燥設(shè)備的干燥器為臥式多孔干燥器，設(shè)計為上、中、下3層，每層為多孔板，直徑為0.4 m，孔徑為 0.5 cm，開孔率為30%。

2.1.5 主風(fēng)機 風(fēng)機為整個干燥裝置中干燥介質(zhì)循環(huán)提供動力。根據(jù)干燥設(shè)備的特點，選用額定功率為105 W、額定流量為980 m3/h的離心風(fēng)機。主循環(huán)風(fēng)機的實際風(fēng)壓和流量可通過變頻器調(diào)節(jié)。

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集單元

2.2.1.1 制冷工質(zhì)數(shù)據(jù)采集 制冷工質(zhì)采集的數(shù)據(jù)包括壓縮機吸氣的壓力P1和溫度T1、壓縮機排氣的壓力P2和溫度T2、氣體冷卻器出口處制冷劑的壓力P3和溫度T3、蒸發(fā)器入口處制冷劑的壓力P4和溫度T4。壓力表選用上海正定普通壓力表，量程為0～40 MPa。溫度表選擇REX-C系列的溫度控制器，量程為0～200 ℃。安裝好的溫度表和壓力表數(shù)值顯示在干燥系統(tǒng)的外表面板上。

2.2.1.2 干燥數(shù)據(jù)采集 CO2熱泵干燥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程為：傳感器將現(xiàn)場采集的溫度、濕度、風(fēng)速、重量信號輸入到EM231模塊，經(jīng)過EM231模塊的D/A轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量存儲在輸入映像寄存器中；CPU226將數(shù)字量換算成實際工程值并儲存在變量存儲器中，通過通訊電纜將其中的數(shù)據(jù)傳給計算機；計算機上的PC Access將作為OPC服務(wù)器從PLC數(shù)據(jù)寄存器中獲取數(shù)據(jù)，組態(tài)軟件WinCC作為OPC客戶端從PC Access中讀取數(shù)據(jù)，并在監(jiān)測畫面上實時顯示并保存。數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示[13]。

2.2.2 參數(shù)控制 干燥系統(tǒng)中，制冷循環(huán)各個參數(shù)如CO2充注量、節(jié)流閥開度變化可能引起壓縮機吸排氣壓力與溫度、冷卻壓力與溫度、蒸發(fā)壓力與溫度的變化，從而引起系統(tǒng)性能如COPh、MER、SMER的變化。

制冷工質(zhì)參數(shù)控制通過直角針形閥調(diào)節(jié)CO2充注量，通過手動節(jié)流閥“T”形旋鈕調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度。外部輔助蒸發(fā)器的開閉通過入口處的電磁閥進行調(diào)節(jié)，開閉原則是既保證內(nèi)部蒸發(fā)器可以有效除濕，又保證干燥介質(zhì)的濕度在合理范圍。

3 試驗驗證

3.1 試驗設(shè)備及材料

在自行研制的CO2熱泵干燥系統(tǒng)上進行干燥試驗，CO2熱泵干燥系統(tǒng)的整體見圖3。

考慮經(jīng)濟性、典型性及原料受季節(jié)影響小，選用胡蘿卜作為試驗對象。將新鮮無損的胡蘿卜整理、清洗、除根切蒂，切成2 mm薄片，一部分樣本使用鹵素快速水分測定儀測得濕基含水率為92.10%，另外一部分用電子天平測得初始質(zhì)量，按照干燥要求均勻撒在干燥器板上進行干燥。

3.2 性能指標與方法

用來衡量熱泵干燥裝置性能最主要的參數(shù)有：熱泵干燥系統(tǒng)性能系數(shù)（COPh）、單位時間除濕量（MER）、單位能耗除濕量（SMER）。

熱泵干燥系統(tǒng)理論的性能系數(shù)COPh[13]的定義為：

COPh=高溫下熱泵輸出的有用能量/壓縮機消耗的電能。

實際情況中熱泵性能系數(shù)COPh總是小于其相應(yīng)的逆卡諾循環(huán)熱泵性能系數(shù)。COPh只反映熱泵的性能，而沒有體現(xiàn)整個熱泵干燥裝置，MER、SMER是在工程中常用的參數(shù)，更直觀地反映熱泵干燥系統(tǒng)的性能。其中單位時間除濕量MER為：

MER=水分去除量/時間。

單位能耗除濕量SMER定義為：

SMER=水分去除量/消耗的電能。

熱泵干燥裝置的COPh、SMER和MER往往不能同時達到最大值，這是由于在熱泵干燥裝置中同時存在熱泵工質(zhì)循環(huán)和干燥介質(zhì)循環(huán)，2種循環(huán)是相互影響的。評價一個熱泵干燥裝置的性能，應(yīng)綜合考察上述3項參數(shù)指標。

在研究制冷工質(zhì)參數(shù)對熱泵干燥裝置系統(tǒng)性能的影響時，關(guān)閉外輔助蒸發(fā)器，設(shè)定溫度為60 ℃，切片厚度為2 mm，選用1 000 g干燥物料，分別做2組試驗。第1組試驗分別設(shè)定停機后的平衡壓力為4.4、5.1、5.5 MPa，研究CO2充注量對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響；第2組試驗將節(jié)流閥開度分別調(diào)節(jié)為10%、20%、30%，研究節(jié)流閥開度對系統(tǒng)性能的影響。

將系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)為試驗得出的最佳CO2充注量和最佳節(jié)流閥開度，根據(jù)干燥介質(zhì)濕度間歇開啟外部蒸發(fā)器，研究外部輔助蒸發(fā)器的節(jié)能效果。

在研究物料的最佳放入量時，設(shè)定溫度為60 ℃，切片厚度為2 mm，分別設(shè)定物料放入量為4、8、12 kg，得出系統(tǒng)最佳的COPh和SMER。

4 結(jié)果與分析

4.1 制冷工質(zhì)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響

4.1.1 CO2充注量對系統(tǒng)性能的影響 試驗中系統(tǒng)停機時的平衡壓力分別為4.4、5.1、5.5 MPa時停止充注，保持節(jié)流閥開度不變，穩(wěn)定運行后發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的CO2充注量越大，停機時的平衡壓力越高，穩(wěn)定運行后其冷卻溫度越高，蒸發(fā)溫度也越高。

系統(tǒng)停機時的平衡壓力分別為4.4、5.1、5.5 MPa時停止充注，第1組系統(tǒng)停機時的平衡壓力為4.4 MPa，第2組系統(tǒng)停機時的平衡壓力為5.1 MPa，第3組系統(tǒng)停機時的平衡壓力為5.5 MPa。運行系統(tǒng)，調(diào)整節(jié)流閥開度，使蒸發(fā)溫度保持為設(shè)計值10 ℃。分別由壓力表和溫度表得到的參數(shù)如表1所示。可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時，改變CO2的充注量可以改變干燥室溫度。在后續(xù)試驗中，可以通過調(diào)節(jié)CO2充注量來調(diào)節(jié)干燥室的溫度。

4.1.2 節(jié)流閥開度對CO2熱泵系統(tǒng)性能的影響 由表2可知，當(dāng)氣體冷卻器出口溫度保持35 ℃不變、氣體冷卻器壓力保持9 MPa不變、蒸發(fā)溫度升高時，系統(tǒng)COPh和SMER隨之升高。當(dāng)排氣壓力保持不變時，壓縮機吸氣壓力升高，壓縮機壓縮比降低，排氣溫度隨之降低。

4.2 外部蒸發(fā)器的節(jié)能效果

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的濕度曲線，如圖4所示。在快速干燥階段，吸濕量大于蒸發(fā)器除濕量，空氣濕度逐漸增大，此時開啟內(nèi)部換熱器；隨著干燥的進行，進入恒速干燥階段，此時空氣濕度漸漸平穩(wěn)，交替開啟內(nèi)外蒸發(fā)器以達到除濕和節(jié)能的效果。到了降速干燥階段，干燥室內(nèi)吸濕量減小，小于內(nèi)部蒸發(fā)器除濕量，干燥介質(zhì)的濕度逐漸減小，此時可以開啟外部換熱器使熱泵系統(tǒng)吸收空氣能。

手動間歇啟動外蒸發(fā)器的電磁閥，使系統(tǒng)可從空氣中吸取空氣能，使得干燥介質(zhì)溫度更高（表3）。

4.3 系統(tǒng)最佳一次性物料投放量

為了驗證干燥機的除濕性能，設(shè)定溫度為60 ℃、風(fēng)速為 1.5 m/s，第1組加入物料4 kg、第2組加入物料8 kg、第3組加入物料12 kg進行試驗， 將物料的濕基含水率從92%下降到30%。物料實時質(zhì)量變化曲線如圖5所示，計算的單位時間除濕量如表4所示。

由表4可以看出，當(dāng)物料太少時，干燥機未得到充分利用，干燥的單位時間除濕量?。辉黾游锪鲜沟脽岜酶稍镅b置的單位時間除濕量增大；當(dāng)物料投放量為12 kg時，實際的熱泵干燥裝置的平均單位時間除濕量（MER）約為 1.52 kg/h，平均單位能耗除濕量（SMER）為1.03 kg/（kW·h）。

5 結(jié)論

CO2熱泵干燥系統(tǒng)能夠手動調(diào)節(jié)工質(zhì)充注量以及節(jié)流閥開度達到所需值，平穩(wěn)運行后各個參數(shù)點的溫度和壓力能夠平衡。干燥循環(huán)中，干燥介質(zhì)的溫濕度、風(fēng)機的風(fēng)速在合適的范圍。通過熱泵干燥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測系統(tǒng)工作過程，并手動根據(jù)干燥介質(zhì)濕度來開啟或關(guān)閉外部蒸發(fā)器。

充注CO2使得系統(tǒng)停機時平衡壓力為5.1 MPa，此時系統(tǒng)的壓縮機在額定功率下運行，系統(tǒng)COPh達3.5。保證壓縮機排氣壓力為9.5 MPa，調(diào)節(jié)手動節(jié)流閥使其開度為20%，此時蒸發(fā)溫度為10 ℃，既能保證壓縮機的排氣溫度，又能夠使系統(tǒng)COPh維持在3.56。

系統(tǒng)停機時平衡壓力為5.1 MPa時，將節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)為20%，一次性放入12 kg物料將其從含水率92.1%干燥至30%以下，保證干燥介質(zhì)濕度在30%以下，間歇開啟外輔助蒸發(fā)器，得出干燥介質(zhì)平均溫度為75 ℃，系統(tǒng)的COPh為3.50，單位能耗除濕量為1.10 kg/（kW·h）。

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